【正文】 電壓 PWM 方式相比，也具有較小的開(kāi)關(guān)損耗，是比較常用的控制方式。顯然，當(dāng)固定開(kāi)通、關(guān)斷角時(shí)，調(diào)節(jié)斬波就相當(dāng)于調(diào)節(jié)關(guān)斷角，或者說(shuō)是電流開(kāi)通區(qū)間的長(zhǎng)度。電流斬波控制是通過(guò)固定開(kāi)通角 on? 、關(guān)斷角 off? ，通過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的多次導(dǎo)通關(guān)斷將電流限制在給定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制簡(jiǎn)單的說(shuō)就是對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)上述控制參量的不同，主要可分為以下三種控制方式 :角度位置控制 (APC，又叫單脈沖控制 )、電流斬波控制 (CCC，又叫電流 PWM 控制 )、電壓斬波控制 (CVC，又叫電壓 PWM 控制 )。這個(gè)層面上的控制是種通用技術(shù)， 能夠應(yīng)用在其它電機(jī)上的控制理論基本上都可以應(yīng)用在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)上，比如最常見(jiàn)的 PI 或 PID 調(diào)節(jié)、模糊控制等；而電機(jī)層面上的控制則是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)所特有的，下文將對(duì)其具體控制策略加以總結(jié)和討論 。而每個(gè)控制器功能的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)合理的控制策略，本節(jié)著重研究開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制原理，介紹各種調(diào)速控制方案。 圖 23 繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化裝置。 在上述假設(shè)條件下的電機(jī)模型為理想線性模型，繞組電感 L 與轉(zhuǎn)子位移角θ的關(guān)系如圖 23 所示。 (3) 功率管開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成。 在線性模型中作如下假設(shè)； (1) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁通率，因此繞組電感 L 是轉(zhuǎn)子位置的分段線性函數(shù)。.. .,( 321 ?qj iiii??? 進(jìn)一步考察 SR 電機(jī)能量流，有 ??? ?ddLIILdtdIU jjJjjj 2)21( 22 上式表明，輸出功率的一部分轉(zhuǎn)為磁場(chǎng)儲(chǔ)能增量，另一部分則為輸出的機(jī)械功率，可以說(shuō) SR 電機(jī)正是利用其不斷的能量?jī)?chǔ)存，轉(zhuǎn)換而獲得高效、大功率的性能。 一臺(tái) q 相 SR 電機(jī)，假設(shè)各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對(duì)稱，根據(jù)電路定律可以寫(xiě)出 SR 類比 第一組 步進(jìn)電機(jī) 不同點(diǎn) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 第二組 開(kāi)環(huán)控制會(huì)丟失步，角度精密傳動(dòng) 轉(zhuǎn)子無(wú)需勵(lì)磁，定子繞組采用直流脈沖供電 均為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁。由此可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 22 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一相通電的磁場(chǎng)情況 由通電磁場(chǎng)情況得出開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)與定子極的通電順有關(guān)，而與相繞組的電 流方向無(wú)關(guān)。此時(shí)穿過(guò)氣隙的磁力線是彎曲的，磁阻大于定、轉(zhuǎn)子軸線重合時(shí) 的磁阻，因此轉(zhuǎn)子將受到彎曲磁力線切向分力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，而沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)上與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似的 SR 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理亦遵循 “磁阻最小原理 ”一一磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必須使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。下面就以常用的三相 12/8 極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例進(jìn)一步闡釋其運(yùn)行機(jī)理。類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物體的現(xiàn)象。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)單相磁場(chǎng)，其分布要遵循 “磁阻最小原則 ”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。目前大部分電機(jī)都遵循這一原理，如一般的直流電機(jī)和交流電機(jī) (包括永磁類電機(jī) )。這種相互作用產(chǎn) 生開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 使兩個(gè)磁場(chǎng)趨于同向的電磁轉(zhuǎn)矩。 表 21 SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)類型 相數(shù) 3 4 5 6 7 8 9 定子極數(shù) 6 8 10 12 14 16 18 轉(zhuǎn)子極數(shù) 4 6 8 10 12 14 16 步進(jìn)角（度） 30 15 9 6 電機(jī)可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理粗略的分為兩大類 :一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類則是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。目前應(yīng)用較多的是四相 8/6 級(jí)結(jié)構(gòu) 和 三相 12/8 極機(jī)構(gòu) 。 SR 電機(jī)可以設(shè)計(jì)成單相、兩相、三相、四相以及多相等不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，相數(shù)越多，則步進(jìn)角越小，這樣有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主開(kāi)關(guān)器件多，成本高。 第二，一般步進(jìn)電機(jī)是作為信息傳輸 從而實(shí)現(xiàn)角位移精密傳動(dòng)，而 SR 電機(jī)是典型的功率型電氣傳動(dòng)裝置。 第一，步進(jìn)電機(jī)是一般位置開(kāi)環(huán)控制，而 SR 電機(jī)是位置閉環(huán)控制。這個(gè)作用力就是磁阻電機(jī)運(yùn)行的原動(dòng)力 —切向磁拉力。相信開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)技術(shù)一旦普 及和推廣，一定會(huì)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。將開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于水域的船只驅(qū)動(dòng)上，可以避免機(jī)油、汽油、柴油對(duì)水域的污染，還可以大大減少噪 聲污染，這同樣是一個(gè)很有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。 、船 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)高效、節(jié)能、調(diào)速范圍寬、啟、制動(dòng)特性卓越，顯然是電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的理想動(dòng)力。這里最具資格的當(dāng)數(shù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。這為我國(guó)普及型小型數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)提供了一種性價(jià)比很高的新動(dòng)力。 開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能、寬廣的調(diào)速范圍、比較小的起動(dòng)電流獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、對(duì)稱的四象限運(yùn)行特性等一系列突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于滿 足龍門刨主傳動(dòng)的高技術(shù)要求 提供了完全的可行性。這時(shí)候，使用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)能收到意想不到的良好效果。其次，可控參數(shù)多，控制靈活，易于在很寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)化控制。 ，損耗小。 (3) 電壓斬波控制方式。電壓不變，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)較小，電流變化率大，為避免電流上升過(guò)快，超過(guò)允許的最大電流，可采取斬波方式來(lái)限制電流。適合于電機(jī)較高速運(yùn)行區(qū)。電壓保持不變，通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角兩個(gè)控制參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 由于 SR 電機(jī)控制參數(shù)多， 所以控制器的控制方式也有多種，并不是僅僅依靠控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通，關(guān)斷順序來(lái)進(jìn)行控制。對(duì)比其它調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)特性，本系統(tǒng)十分適合那些需要重載起動(dòng)和較長(zhǎng)時(shí)間低速重載運(yùn)行的機(jī)械，如電動(dòng)車輛等。 控制器從電源側(cè)吸收較少的電流，在電機(jī)側(cè)得到較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是 SRD 的一大特點(diǎn)。而 SR 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中每個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件均直接與電機(jī)繞組相聯(lián)，根本上避免了直通短路現(xiàn)象。 器不會(huì)發(fā)生直通短路故障，可靠性高。 ，只與通電順序有關(guān)。從控制結(jié)構(gòu)上看， SR 電機(jī)各相電路各自給一相繞組供電，也是相互獨(dú)立工作，由此可知，當(dāng) SR 電機(jī)一相繞組或控制器一相電路發(fā)生故障時(shí)，只需停止該相 的 工作，在控制方面并不需要對(duì)其他相做任何變動(dòng)。從電磁結(jié)構(gòu)上看，一般電機(jī)要正常運(yùn)轉(zhuǎn)就必須在各相繞組和磁路共同作用下產(chǎn)生一個(gè)圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一般來(lái)說(shuō)，中小 SRD，其成本可以低于同功率和類似性能的其他現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)。其顯著的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子上沒(méi)有任何形式的繞組，只有定子邊有集中繞組，因此制造簡(jiǎn)單，維護(hù)起來(lái)方便，絕緣容易。因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電流檢測(cè)器應(yīng)具有快速性好，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 靈敏度高，單向電流檢測(cè)，線性度好，抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。 5．電流檢測(cè)器 相電流檢測(cè)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)電流斬波控制方式（ CCC 方式）運(yùn)行的需要，也是系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)的需要。 4．位置檢測(cè)器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是位置閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)各相繞組必須與轉(zhuǎn)子位置同步激勵(lì)，并且轉(zhuǎn)子位置測(cè)量的精度和分辨率直接影響到調(diào)速性能的好壞?？刂破饔删哂休^強(qiáng)的信息處理功能的微機(jī)構(gòu)成。 3．控制器 控制器是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心，起決策和指揮作用。功率驅(qū)動(dòng) 器有三個(gè)作用：起開(kāi)關(guān)作用，使繞組與電源接通或斷開(kāi)；為繞組的儲(chǔ)能提供回饋路徑；為 SRM 提供電能量，以滿足所需機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。 2．功率 驅(qū)動(dòng) 器 功率 驅(qū)動(dòng) 器是開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是連接電源和電動(dòng)機(jī)繞組的開(kāi)關(guān)部件。 圖 11 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖 電能輸入 指令輸入 功率驅(qū)動(dòng)器 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 負(fù)載 電流檢測(cè)器 位置檢測(cè)器 控制器 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)看，系統(tǒng)通常由 SR 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，其電動(dòng)機(jī)部分包含位置傳感器，驅(qū)動(dòng)器部分包含功率 驅(qū)動(dòng) 器和控制電路等。 近 20 年來(lái)， SR 電機(jī)的研究在國(guó)內(nèi)外取得了很大的發(fā)展，但作為一種新型調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究的歷史較短，其技術(shù)涉及到電機(jī)、微電子、電力電子、微機(jī)、控制、機(jī)械及工程應(yīng)用等眾多學(xué)科領(lǐng)域的新技術(shù)，變頻調(diào)速感應(yīng)電機(jī)、無(wú)換向器直流電機(jī)等經(jīng)歷了幾個(gè)年代的開(kāi)發(fā)推廣，目前己領(lǐng)先一步， 有著極其廣闊的市場(chǎng)前景。 國(guó)內(nèi)，從 1984 年開(kāi)始許多單位先后開(kāi)展了 SR 電機(jī)的研究工作，如北京紡織機(jī)電研究所、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)、福州大學(xué)、華中理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、河海大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、哈爾濱電工學(xué)院等，且開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究被列為中小型電機(jī) “七五科研規(guī)劃項(xiàng)目 ”。因?yàn)樗诤芏嘈阅苤笜?biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)了工業(yè)中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用的一開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 些變速傳動(dòng)系統(tǒng)。 1981 年，英國(guó) TASC 公司 (TASC Drives Ltd.)獲準(zhǔn)制造該系 統(tǒng)， 于 1983 年推出開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (Switched Reluctance motor Drive System，簡(jiǎn)稱 SRD 系統(tǒng) )的系列產(chǎn)品，取名為 OULTON，調(diào)速范圍為 30— 3000/rmin，容量范圍為 4— 22kW。其機(jī)構(gòu)為軸向氣隙電動(dòng)機(jī)。但在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，對(duì)磁阻電機(jī)的研究基本處于對(duì)其運(yùn)行原理和性能特性的探索和論證。 開(kāi)關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 現(xiàn)代 SR 電 動(dòng) 機(jī)的發(fā)展始于 20 世紀(jì) 60 年代，電子工業(yè)的發(fā)展為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域 提供了強(qiáng)有力的功率電子器件和可靠、低廉、多功能的控制器件。因此 ，為了簡(jiǎn)化控制電路，充分利用 SR 電機(jī)控制方式靈活多變的優(yōu)點(diǎn)，完善系統(tǒng)的功能，有必要使用數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì) SR 電機(jī)進(jìn)行控制。 control system 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) IV 符 號(hào) 表 iU 第 j 相的端電壓 V J 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 N*m jI 第 j 相電流 A LT 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N*m j? 第 j 相的磁鏈 B Hk 霍爾系數(shù) Ω 角速度 rad/s 0? 電流與磁力線的夾角 rad sI 霍爾 LEM 模塊副邊電流 A pI 霍爾 LEM 模塊原邊電流 A ?K 摩擦系數(shù) 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） V 目 錄 1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)概述 ....................................................................................................... 1 開(kāi)關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r ..................................................................................... 1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的組成 ............................................................................................. 2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn) ..................................................................................... 4 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合 ..................................................................................... 5 2 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的原理與控制 ....................................................................................... 7 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理 ..................................................................................... 7 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本方程 ..................................................................................... 9 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方式 ........................................................................... 11 電流斬波控制（ CCC）方式 ............................................................................ 12 角度位置控制（ APC）方式 ............................................................................ 12 脈